4.1 La dérivée de ln
Théorème (démonstration du programme, « la dérivabilité étant admise »). La fonction ln est dérivable sur ]0;+∞[ et, pour tout x>0,
ln′(x)=x1.
Démonstration. On admet que ln est dérivable sur ]0;+∞[. Pour tout x>0, elnx=x. On dérive les deux membres.
- À gauche, la fonction x↦elnx est de la forme eu avec u=ln. D'après le chapitre 5, (eu)′=u′eu : sa dérivée est ln′(x)×elnx=ln′(x)×x.
- À droite, la dérivée de x↦x est 1.
Donc x×ln′(x)=1, et comme x=0, ln′(x)=x1.
4.2 Variations
Pour tout x>0, ln′(x)=x1>0 : on retrouve que ln est strictement croissante sur ]0;+∞[ (leçon 3).
4.3 Tangente en 1 et concavité
- Tangente au point d'abscisse 1. ln1=0 et ln′(1)=1 : elle a pour équation y=0+1×(x−1), soit y=x−1.
- Concavité. La dérivée seconde est ln′′(x)=−x21<0 : la fonction ln est concave sur ]0;+∞[ (chapitre 5). Sa courbe est donc en dessous de ses tangentes, en particulier de la tangente en 1 :
pour tout x>0,lnx≤x−1.
- La même inégalité par une étude de fonction. Soit h(x)=x−1−lnx sur ]0;+∞[. h′(x)=1−x1=xx−1, négative sur ]0;1[ et positive sur ]1;+∞[ : h admet un minimum en 1, h(1)=0. Donc h(x)≥0 pour tout x>0.
- Une inégalité dans l'autre sens. En appliquant l'inégalité à x1 : ln(x1)≤x1−1, soit −lnx≤x1−1. Donc, pour tout x>0,
1−x1≤lnx≤x−1.
- Près de 1. Le nombre dérivé ln′(1)=1 est la limite du taux de variation : h→0limhln(1+h)=1. Pour h proche de 0, ln(1+h)≈h ; par exemple ln1,01≈0,00995. Cette idée sert à l'algorithme de Briggs (leçon 8).
4.4 Dérivée de ln(u)
Propriété. Soit u une fonction dérivable et strictement positive sur un intervalle I. Alors ln(u) est dérivable sur I et
(ln(u))′=uu′.
C'est la dérivée d'une composée (chapitre 5) : (ln(u(x)))′=ln′(u(x))×u′(x)=u(x)1×u′(x). Comme u(x)>0, la dérivée de ln(u) a le signe de u′ : ln(u) a les mêmes variations que u.
Exemple 17. f(x)=ln(x2+1) sur R (car x2+1>0). f′(x)=x2+12x, du signe de x : f est décroissante sur ]−∞;0], croissante sur [0;+∞[, et son minimum est f(0)=ln1=0.
Exemple 18. g(x)=ln(2x−3) sur ]23;+∞[. g′(x)=2x−32>0 : g est strictement croissante.
Exemple 19. k(x)=ln(ex+1) sur R. k′(x)=ex+1ex>0.
4.5 Une étude de fonction
Exemple 20. Soit p(x)=x−2lnx sur ]0;+∞[.
p′(x)=1−x2=xx−2. Comme x>0, p′(x) a le signe de x−2.
| x |
0 |
|
2 |
|
+∞ |
| p′(x) |
|
− |
0 |
+ |
|
| p |
|
décroissante |
2−2ln2 |
croissante |
|
Le minimum vaut p(2)=2−2ln2≈0,614>0. Donc p(x)>0 pour tout x>0 : lnx<2x pour tout x>0. Le logarithme reste loin sous la droite y=2x : la leçon 6 précise cette idée.